一种小型高精度四臂螺旋天线的设计

广州中海达卫星导航技术股份有限公司　张华福　李晓鹏　黄建忠　张照良

一种小型高精度四臂螺旋天线的设计

广州中海达卫星导航技术股份有限公司张华福李晓鹏黄建忠张照良

本文通过设计研究以空气作为介质，四轴对称，耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂的四臂螺旋天线，经过计算仿真，结果表明，这种耦合方式在一定程度上扩展了天线的阻抗带宽，使得天线获得了很宽的频带，在L1频段具有150MHz的带宽，使得天线能实现GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座卫星的接收，同时，这种天线有较宽的轴比带宽，实现了天线良好的圆极化性能和较强的抑制多路径效应的能力，并且有较高的增益。这种天线体积小，重量轻，易安装，为高精度无人机行业提供重要的研究价值。

四臂螺旋；宽频带；高精度；无人机；轴比；天线

1.前言

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，因此在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用［1， 2， 3］。近年来，高精度无人机和手持高精度移动测量设备发展越来越快，而这些设备需要带宽宽，精度高，搜星能力强的天线来实现高精度测量的功能。而传统的贴片微带天线由于体积大，质量重，使用安装复杂，很难满足移动高精度测量设备的需求。然而，螺旋天线具有易加工，性能好的优点，越来越受到关注，kiglgas最先分析了螺旋天线的性能［4］。但是传统的螺旋天线是由铜线或者其他金属绕制而成的。加工工艺复杂，带宽很窄，天线的性能不能保证，而且一致性差［5， 6， 7］。基于上述考虑，本文提出一款新型空气作为介质，四轴对称，耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂的四臂螺旋天线的设计，能满足GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座卫星的接收，并且具有较宽的增益带宽和轴比带宽，有较大的抗多路径能力，为高精度无人机行业和手持高精度移动测量行业的发展具有重大意义。

2.天线设计

天线采用四轴对称四臂螺旋结构设计，以空气作为介质。将螺旋臂印制在柔软的基板上，设计特定的圆柱支架，将软性基板缠绕在支架上，形成四臂螺旋天线。每根臂的长度为四分之一波长的整数倍，能产生接收GPS：L1、GLONASS：L1、北斗：B1、GALILEO：L1信号，每个螺旋臂的馈电电流相等，相位依次相差90°，分别为0°，90°，180°，270°。天线螺旋臂的大小可有下式确定：

其中：L为螺旋天线的高度，L0为螺旋臂的长度，D为螺旋天线的缠绕直径，N为为螺旋圈的圈数。天线的整体结构如图1所示，天线的展开图如图2所示。

图1　螺旋天线整体结构图

图2　螺旋天线展开图

天线的辐射单元主要由两部分组成，主辐射臂和耦合辐射臂。主辐射臂是天线的辐射主体，通过设计其长度为四分之一波长的整数倍，使得天线在GPS的频率范围内产生谐振，能接收到GPS卫星信号。然而由于其带来的感性电抗大使得天线的带宽变得很窄，无法满足三星系统GPS、GLONASS、北斗卫星的接收。通过增加耦合辐射臂，可以使得天线的阻抗带宽得到展宽，增大天线的接收频率范围。通过计算所得，天线的缠绕直径D为20mm，高度L为35mm。

3.仿真结果

通过理论计算和HFSS高频电磁软件仿真，在每个辐射体的底部作为天线的馈电点，均匀对称的四馈点馈电，使天线具有稳定的相位中心，相位中心偏差减小，使得天线具有较高的定位精度。因为每个馈电点的相位依次为0°，90°，180°，270°，为了使得形成右旋圆极化波，螺旋天线的缠绕方向与最大方向成左手关系，如图1所示。在实际电路中，通过在电路板上加载移相电路，可使得每个馈点的相位合成同相位信号。

图3　天线S11参数

图4　天线驻波比参数

图3是天线在L1频段内的S11参数，图4是天线在L1频段内的驻波比参数，从图3中可以看出，天线在1.53GHz到1.68GHz频率范围内S11参数小于10，从图4中可以看出，天线从1.53GHz到1.68GHz频率范围内驻波比参数小于2，说明了四臂螺旋结构拓展了阻抗带宽，使天线能实现GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星系统卫星的接收。

图5　天线增益性能

图6　天线轴比性能

图5是天线在L1频段内的增益，从图中可以看出，天线在L1频段内，其顶点位置的增益为6.3dBi，低仰角±90度位置的增益为-3.2 dBi。本天线的耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂，能使得天线的电磁能量得到良好辐射，提升了天线的总体增益，并且也能保证了天线在低仰角有较高的增益，满足了高精度无人机接收的性能要求。

图6是天线在L1频段时的轴比性能，图中表明，天线从仰角-62º到65º之间轴比低于3dB，说明天线在此角度内轴比性能很好，较宽的轴比带宽，很好地实现了圆极化性能。四臂螺旋单元通过与最大辐射方向成左手关系，改善了天线的波束宽度，使得天线辐射单元有较宽的轴比带宽，说明天线有很强的抑制多路径效应的能力。

4.结论

本天线采用四轴对称四臂螺旋结构设计，以空气作为介质。将螺旋臂印制在柔软的基板上，设计特定的圆柱支架，将软性基板缠绕在支架上，形成四臂螺旋天线。L1频段具有150MHz的带宽，使得天线能实现GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座卫星的接收。通过耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂，能使得天线的电磁能量得到良好辐射，提升了天线的总体增益，很好地实现了圆极化性能，同时也有较宽的轴比带宽，能使得天线在遮挡、多路径满足了高精度无人机接收的性能要求。

［1］付世强，房少军，王钟葆.多模卫星定位导航系统的宽带天线［J］.哈尔滨工业大学学报，2008，40（11）：1811-1814.

［2］赵丽娟，邵晓亮，邹永庆，吴先良，杨代明.一种新型宽带圆极化微带天线的设计［J］.现代电子技术，2009，32（24）：91-93.

［3］高阳，董树荣，王德苗.GPS天线技术及其发展［J］.无线通信技术，2008（4）：34-39.

［4］Robert A.Sainati，Join J.Groppelli，Ralph C.Olesen，Andrew J.Stanland.A Band-Switched Resonant Quadrifilar Helix［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982（9），AP-30（5）：1010-1013.

［5］Waqar A.Shah，Sultan Shoaib， Qamarul Islam， Muhammad Amin. Wide Band Side Fed Bifilar Helix Antenna Caged In Passive Quadrifilar Helix Structure［C］.Radio and Wireless Symposium，2010，IEEE，2010：597-600.

［6］Chen Chen，Fang Yang，Chenjiang Guo，Jiadong Xu. Analysis and Design of a satellite-borne wide-beam quardifilar helix antenna［C］. Microwav Coference，2008.APMC 2008.Asia-Pacific，2008（10）：1-4.

［7］M.Hosseini，M.Hakkak，P.Rezaei.Design of a Dual-Band Quadrifilar Helix Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2005（4）：39-42.